KR102239766B1 - 소결 금속 플러그를 갖는 압력 용기용 통기형 보스 - Google Patents

소결 금속 플러그를 갖는 압력 용기용 통기형 보스 Download PDF

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노먼 엘 뉴하우스
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헥사곤 테크놀로지 에이에스
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Abstract

압력 용기(10)는, 쉘(18), 라이너(20) 및 보스(16)를 포함한다. 라이너(20)는 쉘(18) 내에 배치되어 내부 환경(17)을 획정한다. 보스(16)는 쉘(60)과 라이너(20) 간의 제1 계면(60)에 위치한다. 보스(16)는 캐비티(27) 및 이 캐비티(27)에 위치한 통기 구조체(28)를 포함한다. 캐비티(27)는 라이너(20)와 보스(16) 간의 제2 계면에 위치하며, 캐비티(27)는 내부 환경(17)과 연통하게 보스(31)의 내면(31)에 위치한다. 제1 계면(60)에서부터 통기 구조체(28)를 통해 압력 용기(10)의 내부 환경(17) 내로 난 가스 통기 경로(54)가 획정된다. 본 개시는 또한 압력 용기(10)용 보스(106) 및 이 보스(16)을 제조하는 방법을 개시한다. 보스(16)는 포트(26), 플랜지(24), 캐비티(27), 및 가스 통기 구조체(28)를 포함한다. 캐비티(27)와 가스 통기 구조체(28)는 플랜지(24)의 내부(37)에 위치한다.

Description

소결 금속 플러그를 갖는 압력 용기용 통기형 보스
예를 들면 수소, 산소, 천연 가스, 질소, 프로판, 메탄 및 기타 연료 등의 각종 유체를 가압하에 수용하는 데에 압력 용기가 통상 이용되고 있다. 일반적으로, 압력 용기는 임의의 사이즈 또는 구성으로 이루어질 수 있다. 그 용기는 예를 들면 중량 또는 경량, 단일 사용(예를 들면, 1회용), 재사용 가능, 고압(예를 들면, 50psi보다 높은 압력), 저압(예를 들면, 50psi 미만의 압력), 또는 고온 또는 극저온 유체 저장용일 수 있다.
적절한 압력 용기 쉘(pressure vessel shell) 재료로는 강 등의 금속, 또는 복합재를 포함하며, 이 복합재는 권취한 유리섬유 필라멘트 또는 기타 합성 필라멘트의 적층된 층들을 열경화성 또는 열가소성 수지로 함께 접합한 것을 포함할 수 있다. 섬유는 유리섬유, 아라미드, 탄소, 흑연 또는 임의의 기타 대체로 공지된 섬유 보강 재료일 수 있다. 이용되는 수지 재료는, 에폭시, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 열가소성 수지, 또는 섬유들 간의 접합, 섬유 층들 간의 접합 및 그 용기가 이용될 특정 용례에 대해 요구되는 파쇄 저항(fragmentation resistance)을 제공할 수 있는 임의의 기타 적절한 수지 재료일 수 있다. 용기의 복합재 구조는 경량이고 부식, 피로 및 파국적 고장(catastrophic failure)에 대한 저항성이 있는 등의 다수의 이점을 제공한다. 이들 특성은 적어도 부분적으로 보강 섬유 또는 필라멘트의 높은 비강도(specific strength) 때문이다.
폴리머 또는 기타 비금속 탄성 라이너 또는 블레더(bladder)가 종종 복합재 쉘 내에 배치되어, 용기를 밀봉하고 내부 유체가 복합재와 접촉하는 것을 방지한다. 그 라이너는 압축 성형, 블로우 성형, 사출 성형 또는 임의의 기타 대체로 공지된 기법에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 라이너는 강, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 백금, 금, 은, 스테인리스강, 및 그 임의의 합금을 비롯한 기타 재료로 이루어질 수 있다. 그러한 재료는 일반적으로 높은 탄성률을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 하나의 실시예에서, 라이너(20)는 블로우 성형된 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 형성된다.
도 1에서는 본 명세서에 참조로 인용되는 "Pressure vessel with damage mitigating system"라는 명칭의 미국 특허 제5,476,189호에 개시된 것과 같은 길이가 긴 압력 용기(10)가 도시되어 있다. 이 압력 용기(10)는 본체 섹션(12) 및 실질적으로 반구형 또는 돔형 단부 섹션(14)을 갖는다. 압력 용기(10)의 한쪽 또는 양쪽 단부에 통상 알루미늄으로 이루어지는 보스(boss)(16)가 마련되어, 압력 용기(10)의 내부 환경(17)과 외부 환경(19) 간에 연통시키는 포트를 제공한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 압력 용기(10)에는 쉘(18)로 덮인 라이너(20)(내부 폴리머 라이너 등)가 형성된다. 하나의 예에서, 쉘(18)은 필라멘트를 권취한 복합재 쉘일 수 있다. 쉘(18)은 압력 용기(10)에서의 구조적 하중을 해결하는 한편, 라이너(20)는 가스 배리어를 제공한다.
도 2에서는 본 명세서에 참조로 인용되는 "Boss for a filament wound pressure vessel"라는 명칭의 미국 특허 제5,429,845호에 개시된 것과 같은, 보스(16)를 포함한 단부 섹션(14)의 도 1의 라인 2-2를 따라 취한 부분 단면도를 도시하고 있다. 보스(16)(도 3에 별도로 도시)는 목부(22)를 포함한다. 목부(22)는 외면(23)과 포트(26)를 포함한다. 포트(26)는 보스(16)의 외면(23)을 그에 수직하게 가로지르고 외부 환경(19)과 압력 용기(10)의 내부 환경(17) 간에 흐름 연통을 가능하게 한다. 보스(16)는 또한 포트(26)의 길이방향 축선(36)으로부터 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지(24)(환형 플랜지로서 도시)를 포함한다. 도시한 바와 같이, 도 2는 쉘(18)과 라이너(20) 간의 계면(60)을 도시한다. 도 2는 또한 라이너(20)와 쉘(16) 간의 계면(62)을 도시한다. 본 개시에서, 내부 환경(17)을 향한 표면, 방향, 요소들을 "내부"란 기술어로서 나타내는 한편, 외부 환경(19)을 향한 표면, 방향, 요소들을 "외부"란 기술어로서 나타낸다. 이러한 비한정적인 표기는 단지 이해의 편의 및 용이를 위해 제공된 것으로 다른 기술어들이 이용되거나 및/또는 적합할 수도 있다는 점을 이해할 것이다.
일반적으로, 보스(16)의 플랜지(24)는 라이너(20)의 부분들 사이에 수용되거나 및/또는 라이너(20)와 쉘(18) 사이에 샌드위치된다. 통상, 쉘(18)은 목부(22)에 맞대진다. 플랜지(24)는 외측(38)과 내측(37)을 포함한다. 플랜지(24)는 라이너(20)의 탭(34)(환형 탭 등)을 수용하는 형상으로 된 적어도 하나의 홈(32)(환형 홈으로서 도시)을 포함할 수 있다. 이러한 구조는 보스(16)를 압력 용기(10)에 고정하고 보스(16)와 라이너(20) 간의 계면에 시일을 제공한다.
압력 용기(10)를 형성하는 방법은, 맨드릴 상에 보스를 장착하고, 라이너(20)를 위한 유체 폴리머 재료를 보스(16)의 플랜지(24) 둘레 및 그 홈(32) 내로 흐르게 하는 것을 포함한다. 그러면, 라이너 재료는 고화되어, 플랜지(24) 및 홈(32) 내에 수용된 탭(34)에 인접하는 라이너(20)의 부분을 형성한다. 이에 의해, 라이너(20)는 보스(16)와 기계적으로 맞물린다. 따라서, 극단적인 압력 조건하에서도 보스(16)로부터 라이너(20)의 분리가 방지된다.
예시적인 실시예에서, 셀(18)은 권취한 섬유로 형성되어, 라이너(20)(몇몇 경우에는 보스(16)의 플랜지(24)의 일부분도)를 둘러싼다. 예시적인 방법에서, 섬유를 위한 분배 헤드가 섬유를 라이너(20) 상에 원하는 식으로 래핑(wrapping) 하는 식으로 이동한다. 압력 용기(10)가 구형이 아니라 원통형인 경우, 섬유의 권취는 통상 실질적으로 길이방향(헬리컬) 및 둘레방향(후프(hoop)) 래핑 패턴으로 적용된다. 이 권취 프로세스는, 수지 함량, 섬유 구성, 권취 장력 및 라이너(20)의 축선에 대한 래핑 패턴에 의해 정의된다. 예시적 압력 용기의 형성에 관한 세부 사항은 본 명세서에 참조로 인용되는 "Filament Winding Process and Apparatus"라는 명칭의 미국 특허 제4,838,971호에 개시되어 있다.
라이너(20)가 통상의 작동 조건 하에서 가스 배리어를 제공하지만, 이러한 형태의 압력 용기(10)의 구조는 가스가 압력 용기(10)의 가압 하에서 라이너(20) 내로 확산하는 현상을 생성한다. 압력 용기(10)의 압력 제거가 이루어지면, 그 가스는 라이너(20)의 밖으로 확산하며, 몇몇 경우에 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면 내로 또는 심지어는 몇몇 경우에 라이너(20)와 보스(16) 사이의 계면(62) 내로 확산한다. 가스 포켓이 형성되어, 라이너(20)가 내측으로 부풀어 오르게 할 수 있고, 어쩌면 신장되게 할 수도 있다. 게다가, 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)의 가스는 라이너(20)와 쉘(18) 간의 바람직하지 못한 분리를 조장할 수도 있다. 또한, 재가압 시에, 라이너(20)와 쉘(18) 사이에 갇힌 가스는 높은 압력에서 쉘(18) 내의 마이크로크랙을 통해 갑작스레 분출될 수 있다. 가스의 비교적 갑작스런 분출은 실제로 압력 용기(10)가 일정한 누설을 보이지 않는 경우에 누설 검출기를 작동시킬 수 있다. 게다가, 라이너(20)와 쉘(18) 사이에 갇힌 가스는 라이너(20)와 보스(16) 사이의 계면(62)으로 이동하여, 라이너(20)와 보스(16) 간의 연결을 약화시킬 수도 있다.
하나의 양태에서, 내부 환경(17)을 갖는 압력 용기를 개시하며, 이 압력 용기는, 쉘, 라이너 및 보스를 포함한다. 라이너는 쉘 내에 배치되어 내부 환경을 획정한다. 보스는 쉘과 라이너 간의 제1 계면에 위치한다. 보스는 캐비티 및 이 캐비티에 위치한 통기 구조체(venting structure)를 포함한다. 캐비티는 라이너와 보스 간의 제2 계면에 위치하며, 캐비티는 내부 환경과 연통하게 보스의 내면에 위치한다. 제1 계면에서부터 통기 구조체를 통해 압력 용기의 내부 환경 내로 난 가스 통기 경로가 획정된다.
다른 양태에서, 본 개시는, 포트, 플랜지, 캐비티 및 가스 통기 구조체를 포함한 압력 용기용 보스에 대해 기술한다. 그 포트는 압력 용기의 외부 환경과 압력 용기의 내부 환경 간의 유체 연통을 허용하도록 구성된다. 플랜지는 포트로부터 반경방향 외측으로 연장하며, 그 플랜지는 외측과 내측을 포함한다. 캐비티는 플랜지의 내측에 위치한다. 가스 통기 구조체는 캐비티 내에 위치한다.
또 다른 양태에서, 압력 용기에 이용되는 보스를 제조하는 방법은, 금속 부품을 소결하되, 유체가 그 소결된 금속 부품을 통과하는 것은 허용하지만, 용융 폴리머 재료가 그 소결된 금속 부품 내로 들어가는 것은 제한하는 기공도를 갖도록 금속 부품을 소결하는 단계; 및 소결된 금속 부품을 보스의 해당 캐비티 내에 삽입하는 단계를 포함한다.
본 개시는 또한 장치 또는 방법의 형태로의 다양한 조합에서 아래의 목록의 항들을 특징으로 할 수 있다.
1. 내부 환경을 갖는 압력 용기로서:
쉘;
쉘 내에 배치되어 내부 환경을 획정하는 라이너; 및
쉘과 라이너 간의 제1 계면에 위치하는 보스를 포함하며, 이 보스는,
라이너와 보스 간의 제2 계면에서, 내부 환경과 연통하게 보스의 내면에 위치하는 캐비티; 및
캐비티 내에 위치한 통기 구조체를 포함하며, 제1 계면에서부터 통기 구조체를 통해 압력 용기의 내부 환경 내로 난 가스 통기 경로가 획정되는 것인 압력 용기.
2. 항 1에 있어서, 통기 구조체는 소결 금속을 포함하는 것인 압력 용기.
3. 항 1 내지 2 중 임의의 항에 있어서, 통기 구조체는 가스가 통기 구조체를 통과하는 것은 허용하지만 라이너의 재료가 통기 구조체로 들어가는 것은 방지하는 기공도를 갖는 것인 압력 용기.
4. 항 1 내지 3 중 임의의 항에 있어서, 통기 구조체는 환형 형상을 갖는 것인 압력 용기.
5. 항 4에 있어서, 캐비티는 통기 구조체의 환형 형상에 대응하는 상보적 환형 형상을 갖는 것인 압력 용기.
6. 항 1 내지 5 중 임의의 항에 있어서, 그 통기 구조체는 통기 구조체들의 세트 중 하나인 것인 압력 용기.
7. 항 6에 있어서, 캐비티는 캐비티들의 세트 중 하나이며, 캐비티들의 세트의 각 캐비티는 통기 구조체들의 세트 중 하나의 통기 구조체의 형상에 대응하도록 구성되는 것인 압력 용기.
8. 항 7에 있어서, 캐비티 세트의 캐비티들은 서로 등간격으로 둘레방향으로 이격되는 것인 압력 용기.
9. 압력 용기용 보스로서:
압력 용기의 외부 환경과 압력 용기의 내부 환경 간의 유체 연통을 허용하도록 구성된 포트;
포트로부터 반경방향 외측으로 연장하며, 외측과 내측을 포함하는 플랜지;
플랜지의 내측에 위치하는 캐비티; 및
캐비티 내에 위치한 가스 통기 구조체를 포함하는 보스.
10. 항 9에 있어서, 가스 통기 구조체는 소결 금속을 포함하는 것인 보스.
11. 항 9 내지 10 중 임의의 항에 있어서, 가스 통기 구조체는 가스가 가스 통기 구조체를 통과하는 것은 허용하지만 용융 폴리머 재료가 가스 통기 구조체로 들어가는 것은 방지하는 기공도를 갖는 것인 보스.
12. 항 9 내지 11 중 임의의 항에 있어서, 가스 통기 구조체는 환형 형상을 갖는 것인 보스.
13. 항 12에 있어서, 캐비티는 가스 통기 구조체의 환형 형상에 대응하는 상보적 환형 형상을 갖는 것인 보스.
14. 항 9 내지 13 중 임의의 항에 있어서, 그 통기 구조체는 통기 구조체들의 세트 중 하나인 것인 압력 용기.
15. 항 14에 있어서, 캐비티는 캐비티들의 세트 중 하나이며, 캐비티들의 세트의 각 캐비티는 통기 구조체들의 세트 중 하나의 통기 구조체의 형상에 대응하도록 구성되는 것인 압력 용기.
16. 항 15에 있어서, 캐비티 세트의 캐비티들은 서로 등간격으로 둘레방향으로 이격되는 것인 보스.
17. 압력 용기에 이용되는 보스를 제조하는 방법으로서:
금속 부품을 소결하되, 가스가 그 소결된 금속 부품을 통과하는 것은 허용하지만, 용융 폴리머 재료가 그 소결된 금속 부품 내로 들어가는 것은 제한하는 기공도를 갖도록 금속 부품을 소결하는 단계; 및
소결된 금속 부품을 보스의 해당 캐비티 내에 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
18. 항 17항에 있어서, 해당 캐비티를 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
19. 항 18에 있어서, 보스는 보스의 외측과 보스의 내측을 연결하는 포트를 포함하며, 기계 가공은 보스의 내측의 표면을 기계 가공하는 것을 포함하는 것인 방법.
20. 항 19에 있어서, 보스는 포트로부터 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지를 포함하며, 플랜지는 외측과 내측을 포함하며, 기계 가공은 플랜지의 내측의 표면을 기계 가공하는 것을 포함하는 것인 방법.
전술한 개요는 아래의 상세한 설명에서 보다 상세하게 설명할 개념을 간단한 형식으로 소개하고자 마련한 것이다. 이 개요는 개시하거나 청구하는 본 발명의 주요 특징 또는 필수 특징을 확인시키고자 한다거나, 개시하거나 청구하는 본 발명의 각각의 개시된 실시예 또는 모든 실시예를 설명하고자 한 것은 아니다. 구체적으로, 여기서 하나의 실시예에 대해 개시한 특징들은 다른 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 전술한 개요는 청구된 본 발명의 범위를 결정하는 데에 일조하고자 이용하는 것은 아니다. 수많은 기타 신규한 이점, 특징 및 관계가 상세한 설명을 계속해서 읽음에 따라 명백해질 것이다. 후술하는 상세한 설명 및 도면은 특히 예시적인 실시예를 들고자 한 것이다.
개시된 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명할 것이며, 첨부 도면에서 동일한 구조 또는 시스템 요소들은 여러 도면에 걸쳐 동일한 도면 부호를 부여한다.
도 1은 통상의 종래의 압력 용기의 측면도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 압력 용기의 단부의 부분 단면도로서, 통상의 보스, 라이너 및 쉘의 조립체를 도시한다.
도 3은 도 1 및 도 2의 압력 용기의 보스의 반경방향 단면 사시도이다.
도 4a는 제1 예시적 통기 구조체를 갖는 본 개시의 제1 예시적 보스의 반경방향 단면 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 제1 예시적 보스의 내부도이다.
도 5는 도 4b의 라인 5-5를 따라 취한 도 4a 및 도 4b의 보스를 포함하고 또한 라이너 및 쉘을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 단면도이다.
도 6a는 제2 예시적 통기 구조체를 갖는 본 개시의 제2 예시적 보스의 반경방향 단면 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 제2 예시적 보스의 내부도이다.
도 7은 도 6b의 라인 7-7을 따라 취한 도 6a 및 도 6b의 보스를 포함하고 또한 라이너 및 쉘을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 단면도이다.
도 8a는 제3 예시적 통기 구조체를 갖는 본 개시의 제3 예시적 보스의 반경방향 단면 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 제3 예시적 보스의 내부도이다.
도 9는 도 8b의 라인 9-9를 따라 취한 도 8a 및 도 8b의 보스를 포함하고 또한 라이너 및 쉘을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 단면도이다.
도 10은 제4 예시적 통기 구조체를 갖는 본 개시의 제4 예시적 보스를 포함하고 또한 라이너 및 쉘을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 반경방향 단면도이다.
도 11은 제5 예시적 통기 구조체를 갖는 본 개시의 제5 예시적 보스를 포함하고 또한 라이너 및 쉘을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 반경방향 단면도이다.
도 12는 압력 용기를 제조하는 예시적인 방법을 도시한다.
상기한 도면들에서는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 대해 나타내고 있지만, 본 명세서에서 언급하는 바와 같이 다른 실시예들도 역시 모색될 수 있다. 모든 경우에 있어서, 본 명세서는 개시된 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니라 예시로서 제시하고 있다. 본 발명의 원리의 범위 내에 포함되는 수많은 기타 수정예 및 실시예가 당업자들에 의해 안출될 수 있다는 점을 이해해야 할 것이다.
도면은 축적대로 도시되지 않을 수도 있다. 특히, 몇몇 구성들은 명료성을 위해 다른 구성들에 비해 확대될 수도 있다. 게다가, "내부", "외부", "위", "아래", "상", "하", "정상", "저부", "측부", "우측", "좌측" 등과 같은 용어가 사용되는 경우, 그 용어들은 상세한 설명의 이해를 용이하도록 하기 위해서만 사용한 것이라는 점을 이해해야 할 것이다. 구조체들을 다른 방식으로 배향할 수 있다는 점을 예상할 것이다.
본 개시는 압력 용기에 이용되는 예시적인 가스 통기 구조체 및 그 통기 구조체를 생성하는 방법을 기술한다. 가스 통기 구조체는, 그 예시적 구조가 가압 하에서 보스로부터 라이너의 분리 및/또는 쉘로부터 라이너의 분리를 방지하도록 압력 용기의 보스에 구현될 수 있다. 가스 통기 구조체는 라이너와, 이 라이너와 대면하는 쉘의 내면 사이에 갇힌 가스 등의 라이너와 쉘(또는 보스) 사이에 갇힌 가스를 배기시킬 수 있다. 본 개시는 하나의 양태에서, 예시적 가스 통기 구조체들 중 적어도 하나와 압력 용기(10)의 보스(16)를 조합하는 것에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 통기 구조체는 보스의 해당 캐비티 내에 배치되는 플러그 또는 인스트로서 구성된다. 각각의 예시적 가스 통기 구조체는, 라이너(20)와 쉘(18) 사이에 축적된 가스를 압력 용기(10)의 내부 환경(17)으로 통기시킬 수 있는 피처를 구비한다. 보스(16)의 포트(포트(26) 등)가 개방되는 경우, 압력 용기(10)의 내부 환경(17)으로부터 가스가 압력 용기(10) 밖의 외부 환경(19)으로 통기될 수 있다. 에를 들면, 도 4a 및 도 5에 도시한 바와 같이, 예시적인 통기 구조체(28a) 가스가 쉘(18)과 라이너(20) 사이의 계면(60)으로부터 압력 용기(10) 내부와 환경(17)으로 통기될 수 있게 하는 경로(54)를 제공한다. 따라서, 라이너(20)의 손상 및 쉘(18)을 통한 원치 않는 통기가 방지된다.
도 3은 예시적 통기 구조체들 중 하나가 구현되지 않은 종래의 보스(16)를 도시하고 있다. 보스(16)는 포트(26)(보링되었을 수 있음)를 갖는 목부(22)를 포함하며, 그 포트(26)는 압력 용기(10)의 내부 환경(17)과 압력 용기(10)의 외부 환경(19) 간의 유체 연통을 가능하게 한다. 포트(26)는 길이방향 축선(36)을 갖는다. 보스(16)는 포트(26)로부터 반경방향 외측으로 연장하고 말단 에지(46)에서 끝나는 플랜지(24)(환형 플랜지로서 도시)를 구비할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 플랜지(24)는 대응하는 상보적 구성을 갖는 라이너(20)의 탭(34)을 수용하도록 홈(32)(환형 홈으로서 도시)을 구비한다. 기계적 맞물림(즉, 그 요소들의 분리가 기계적으로 방지되어 있음)이 도시되어 있지만, 기계식, 마찰식, 화학식(예를 들면, 접착제의 사용)으로 라이너(20)를 보스(16)에 고정시키는 기타 방법이 이용될 수도 있는 것으로 고려된다. 몇몇 실시예에서, 라이너(20)의 부분(35)은 도 1, 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이 라이너(20)와 보스(16)를 연결하는 데에 도움이 되도록 플랜지(24)의 외측(38) 위에서 연장함을 유념해야 한다.
도 4a는 보스(16a)의 통기 구조체 수용 캐비티(27a) 내에 피팅된 제1 예시적 통기 구조체(28a)를 갖는 제1 예시적 보스(16a)의 반경방향 단면 사시도이다. 도 4b는 제1 예시적 보스(16a)의 내부 단부도이다. 도 5는 도 4b의 라인 5-5를 따라 취한 제1 예시적 보스(16a), 라이너(20) 및 쉘(18)을 포함한 압력 용기(10a)의 부분 단면도이다.
라이너(20)는 가스 배리어로서 기능하고 내부 환경(17)을 획정한다. 하지만, 전술한 바와 같이, 몇몇 고압 용례에서, 가스는 바람직하지 못하게 라이너(20)를 통해 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)으로 확산할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 예시적 통기 구조체(28a)는 물론 본 명세서에서 설명하는 임의의 다른 통기 구조체는 압력 용기(10)의 내부 환경(17)과, 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)을 유체 연통시키도록 마이크로 통기 채널을 구비할 수 있다. 예시적 통기 구조체는 통기 경로(54)를 제공함으로써, 라이너(20)를 통과해 적어도 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60) 내로 침투한 가스가 갇히는 것을 방지하도록 구성된다. 통기 경로(54)는 계면(60)으로부터의 가장 작은 가스 흐름 저항을 갖는 경로를 획정한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 포켓(50) 내의 가스는 라이너(20) 또는 쉘(18)의 재료를 통과하는 것보다는 계면(60)을 따라 이동하는 것이 보다 용이하다. 따라서, 가스는 포켓(50)에서부터 계면(60)을 따라 라이너(20)와 보스(16a) 사이의 계면(62)으로 이동한다. 통기 구조체(28a)를 수용하는 캐비티(27a)가 보스(16a)의 내면(31)에서 계면(62)을 따른 위치에 배치된다. 캐비티(27a), 나아가서는 통기 구조체(28a)가 내부 환경(17)과 연통하게 보스(16a)의 내면(31)에 배치된다. 캐비티(27a)는 외부 환경(19)과 연통하는 보스(16a)의 외면으로는 연장하지 않을 수 있다. 라이너(20)와 보스(16a) 간의 재료 접합 강도가 통상 쉘(18)과 보스(16a) 간의 재료 접합 강도보다 약하기 때문에, 가스는 대체로 계면(62)에서 도시한 경로(54)를 따라 이동한다. 라이너(20)나 보스(16a)의 재료에 비해 더 높은 가스 투과성을 갖는 통기 구조체(28a)에 도달시에, 가스는 경로(54)에서 통기 구조체(28a)를 통해 내면(30a) 밖으로, 이어서 압력 용기(10a)의 내부 환경(17) 내로 흐른다. 따라서, 통기 경로(54)는 계면(60)에서부터 통기 구조체(28a)를 통해 압력 용기(10a)의 내부 환경(17) 내로 획정된다.
제1 예시적 통기 구조체(28a)는 물론 본 명세서에서 설명하는 임의의 다른 예시적 통기 구조체들은, 예들 들면 알루미늄, 강, 철, 청동, 황동 또는 폴리머 또는 복합 재료 등의 금속 재료, 비금속 재료 또는 그 조합으로 형성될 수 있다. 금속 재료는 통기 구조체(28a)가 소결 금속 재료를 포함하도록 소결될 수 있다. 예시적 통기 구조체(28)는 가스가 통과하는 것은 허용하는 한편 라이너(20)의 재료가 용기의 제조 중에 통기 구조체 내로 들어가는 것은 방지하는 기공도 및/또는 밀도를 갖는다. 라이너 대향 표면(29)에서 통기 구조체(28) 상으로 라이너 재료가 어느 정도 스며들 수도 있지만, 통기 구조체(28) 내로의 라이너 재료의 상당한 침투는 방지된다. 본 명세서에서 설명하는 임의의 통기 구조체(28)는 소결 재료 블랭크를 통기 구조체(28)를 위한 원하는 형상으로 기계 가공함으로써 형성될 수 있다. 대안적인 예에서, 통기 구조체(28)는 다이 또는 몰드에 금속 분말을 채워 소결하는 등에 의해 원하는 형상으로 형성될 수도 있다. 하나의 방법에서, 보스 내의 캐비티(27)는 금속 분말을 위한 다이 또는 몰드의 적어도 일부로서 기능하여, 그 재료를 보스의 캐비티(27) 내에서 인시튜(in-situ)로 소결함으로써 통기 구조체(28)가 형성된다. 소결은 소결된 재료 내에 공극의 생성에 의해 통기 구조체에 마이크로 통기 채널을 형성한다. 적절한 프로세스로는 예를 들면 분말 단조, 열간 또는 냉간 등압 프레싱, 금속 사출 성형, 전류 지원 소결(electric current assisted sintering), 및 적층 제조(additive manufacturing)를 포함한다. 마이크로 통기 채널은 소결 프로세스로 인해 예를 들면 0.1 내지 1 마이크로미터 범위의 직경을 포함할 수 있다. 예시적 통기 구조체(28)는 약 5% 내지 약 15%의 기공도를 갖는다. 예시적 통기 구조체(28)는 약 5.2g/㎤ 내지 약 7.9g/㎤의 밀도를 갖는다.
압력 용기(10a)를 제조하는 예시적인 실시예에서, 보스(16a)는 제1 예시적 통기 구조체(28a)를 수용하는 통기 구조체 수용 캐비티(27a)를 포함하거나 그 캐비티가 마련된다. 캐비티(27a)는 표면(56a)을 포함할 수 있다. 표면(56a)은 제1 예시적 통기 구조체(28a)의 표면(58a)에, 내고온성 접착제 또는 예를 들면 표면(56a)에 대한 표면(58a)의 용접을 비롯한 기타 수단에 의해 접착될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 통기 구조체(28a)는 리세스 또는 캐비티(27a)를 채우는 형상으로 되어, 통기 구조체(28a)를 갖는 보스(16a)가 도 3의 보스(16)와 실질적으로 동일한 형태를 갖는다.
또한, 보스의 통기 구조체 수용 캐비티를 통기 구조체에 피팅되도록 형성하는 대신에, 예시적 통기 구조체를 형성하는 재료가 그 캐비티에 피팅되도록 형성될 수도 있다. 보스를 제조하는 다른 예시적인 실시예에서, 보스의 일부분을 열 및/또는 화학물질로 처리하여, 보스의 그 부분이 예시적 통기 구조체(28a)로 되도록 할 수도 있다. 이 마지막 예에서, 통기 구조체 수용 캐비티가 보스에 기계 가공되진 않는다.
제1 예시적 통기 구조체(28a) 및 임의의 다른 예시적 통기 구조체는 라이너 대향 표면(29a) 및 내면(30a)(압력 용기(10a)의 내부(17)를 향한 표면)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 라이너 대향 표면(29a)은 그 라이너 대향 표면(29a)이 라이너(20)의 탭(34)과 접촉하도록 홈(32) 내에 있다. 라이너 대향 표면(29a)은 라이너(20)와 라이너 대향 표면(29a) 사이에 갇힌 가스가 제1 예시적 통기 구조체(28a) 내로 들어갈 수 있도록 구성될 수 있다. 통기 구조체(28a) 내로 들어간 후, 가스는 통기 구조체(28a) 내의 마이크로 통기 채널을 통해 이동할 수 있다. 그 가스는 내면(30a)에서 통기 구조체(28a)를 나와 압력 용기(10a)의 내부 환경(17)으로 배출된다. 이에 의해, 통기 구조체(28a)는 내부 환경(17)과, 라이너(20)와 쉘(18) 간의 계면(60)을 유체 연통하게 연결한다.
예시적인 실시예에서, 통기 구조체(28a)의 내면(30a)은 제1 예시적 보스(16a)의 내면(31)과 동일면으로 맞춰진다. 내면(30a)은 압력 용기(10)의 내부 환경(17)을 향한다. 예시적인 실시예에서, 내면(30a)은 포트(26)의 보어면(41)으로부터 이격된다. 내면(30a)은, 압력 용기에 라이너(20)의 추가 후에 가스가 라이너(20)로부터의 저항 없이 내면(30a)을 빠져나갈 수 있도록 구성될 수 있다(도 5에서 가스 이동 경로(54)에 의해 도시).
예시적인 실시예에서, 도 4a에 도시한 바와 같이, 제1 예시적 통기 구조체(28a)는 보스(16a)의 통기 구조체 수용 캐비티(27a)의 환형 형상에 대응한다. 도시한 바와 같이, 제1 예시적 통기 구조체(28a) 및 임의의 다른 예시적 통기 구조체는 적어도 부분적으로 홈(32)과 맞대질 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 예시적 통기 구조체(28a)는 홈(32)의 내면(42)과, 홈(32)의 외부(44) 및 내부(45) 중 적어도 일부를 획정한다. 또한, 통기 구조체(28a)는 도 10에 도시한 바와 같이 홈(32)의 외면(43)에 완전히 둘러질 수 있다. 홈(32)의 외부(44)의 제1 예시적 통기 구조체(28a)의 표면, 내면(42) 및 홈(32)의 내부(45)가 라이너 대향 표면(29a)을 획정한다. 통기 구조체(28a)가 적어도 부분적으로 홈(32)의 내면(42), 외부(44) 및 내부(45)를 포함하지만, 다른 예시적 통기 구조체는 다른 형태를 가질 수도 있다. 몇몇 예시적인 실시예들이 본 명세서에서 나타내지만, 수많은 다른 변형예들도 가능한 것으로 고려된다.
도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 플랜지(24), 홈(42) 및 내부(40)의 내면들을 포함한 제1 예시적 보스(16a)의 내면(31)은 요철형 표면 윤곽을 갖는 원형 형상을 갖는다. 도 4b의 내부도는, 제1 예시적 보스(16a)의 상기한 피처들 각각이 각 내단부에서 원형 형성을 갖고 있어, 플랜지(24)의 내단부가 홈(32)의 내단부를 에워싸고, 이 홈은 또한 내부(40a)를, 이 내부(40a)는 포트(26)를 에워싸는 것을 보여준다. 통기 구조체(28)는 또한 홈(32)이 없는 보스(16)의 내면(31)에 마련될 수도 있는 것으로 고려된다.
도 5에 도시한 예시적인 실시예에서, 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)에 가스 포켓(50)이 형성되어, 라이너(20)의 변형부(52)를 야기한다(설명을 위해 도면에 상당히 과장하여 도시함). 가스 이동 경로(54)에 의해 나타낸 바와 같이, 가스는 가스 포켓(50)에서부터 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면을 따라 라이너(20)와 제1 예시적 보스(16a) 사이의 계면에 이르기까지 가장 작은 저항의 경로를 따라 갈 것이다. 그러면, 가스는 제1 예시적 통기 구조체(28a)와 라이너(20) 사이의 계면(29a)으로 이동할 수 있다. 가스는 경로(54)로 나타낸 바와 같이 라이너 대향 표면(29a)을 통해 통기 구조체(28a)의 채널 내로 들어가, 그 채널을 통해 압력 용기의 내부 환경(17)으로 이동한다. 경로(54)가 압력 용기(10a)의 단지 일부에만 도시되어 있지만, 그러한 통기 경로는 계면(60)에서의 임의의 위치에 위치한 가스 포켓에서부터 통기 구조체(28a)의 임의의 반경방향 부분에 통하도록 위치할 수도 있다는 점을 이해할 것이다.
변형부(52)는 팽출부 또는 기포를 나타내고 있지만 단지 설명을 그렇게 도시한 것이다. 게다가, 변형부(52)의 크기는 예시를 위해 과장되어 있다. 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60) 및/또는 보스(16)와 라이너(20) 사이의 계면(62)에서 임의의 위치에 상이한 양의 가스가 존재할 수 있고, 이에 의해 통기가 허용되지 않는다면 라이너(20)의 다양한 변형부(52)를 야기할 수 있다. 도면에서는 설명을 위해 변형부(52)를 나타내고 있지만, 실제로는 압력 용기(10)에 통기 구조체(28)를 마련함으로써, 그러한 변형부(52)의 형성이 방지될 것으로 고려된다.
도 6a는 제2 예시적 통기 구조체(28b)를 갖는 제2 예시적 보스(16b)의 반경방향 단면 사시도이다. 도 6b는 제2 예시적 보스(16b)의 내부 측면도이다. 도 7은 도 6b의 라인 7-7을 따라 취한 제2 예시적 보스(16b), 라이너(20) 및 쉘(18)을 포함한 압력 용기의 부분 단면도이다. 도 6a 내지 도 7에 도시된 제2 예시적 보스(16b)는, 제1 예시적 통기 구조체(28a)의 형상과 다른 제2 예시적 통기 구조체(28b)의 형상으로 인한 구조적 차이점을 제외하면, 도 4a 내지 도 5에 도시한 제1 예시적 보스(16a)와 유사하다.
도시한 실시예에서, 통기 구조체(28b)는 각각 웨지형 바디로서 구성된 유사한 통기 구조체(28b)들의 세트 중 하나이다. 각 통기 구조체(28b)는 해당 통기 구조체(28b)의 형상에 대응하는 형상을 갖는 캐비티(27b)에 위치한다. 각각의 캐비티(27b)는 캐비티(27b)들의 세트 중 하나이며, 이들 각각이 통기 구조체(28b)를 수용한다. 예시적인 실시예에서, 각 통기 구조체(28b)는 실질적으로 삼각형 프리즘 형상이다. 그러한 형상은 홈(32)의 2개의 측면에서 라이너 대향 표면(29a)을 제공하는 동시에, 포트(26)의 보어면(41)에서 통기 구조체(28b)의 존재를 감소시킨다. 따라서, 포트(26) 근처에서 보스(16b)의 강도가 유지된다. 게다가, 통기 구조체(28b)의 비교적 큰 통기 내부 공간(30b)이 제공된다.
통기 구조체(28b)들은 보스(16b)의 대응하는 통기 구조체 수용 캐비티(27b)에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 4개의 통기 구조체(28b)가 도시되어 있지만, 보다 많거나 적은 수의 웨지형 바디가 이용될 수 있는 것으로 고려된다. 예시적인 실시예에서, 실질적으로 삼각형의 형상은, 라이너 대향 표면(29b), 내면(30a), 및 이들 라이너 대향 표면(29b)과 내면(30a)에 대해 실질적으로 빗변일 수 있는 표면(58b)을 포함한 3개의 표면에 의해 획정된다. 캐비티(27b)는 표면(56b)을 포함할 수 있다. 표면(56b)은 제2 예시적 통기 구조체(28b)의 표면(58b)에, 예를 들면 내고온성 접착제 또는 표면(56b)에 대한 표면(58b)의 용접에 의해 접착될 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 포켓(50) 내의 가스는 통기 경로(54)를 따라 흘러 내부 환경(17) 내로 배기된다. 경로(54)는 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)에서의 포켓(50)에서 시작하여 라이너(20)와 보스(16b) 사이의 계면(62b)까지 이어진다. 그러면, 가스는 통기 구조체(28b)와 라이너(20) 사이의 계면(29b)으로 이동할 수 있다. 가스는 라이너 대향 표면(29b)을 통해 통기 구조체(28b)의 채널 내로 들어가, 그 채널을 통해 압력 용기(10b)의 내부 환경(17)으로 이동한다.
도 8a는 제3 예시적 통기 구조체(28c)를 갖는 제3 예시적 보스(16c)의 반경방향 단면 사시도이다. 도 8b는 제3 예시적 보스(16c)의 내부 측면도이다. 도 9는 도 8b의 라인 9-9를 따라 취한 제3 예시적 보스(16c), 라이너(20) 및 쉘(18)을 포함한 압력 용기(10c)의 부분 단면도이다. 도 8a에 도시된 제3 예시적 보스(16c)는, 통기 구조체(28a, 28b)의 형상과 다른 제3 예시적 통기 구조체(28c)의 형상으로 인한 구조적 차이점을 제외하면, 제1 및 제2 예시적 보스(16a, 16b)와 유사하다. 제3 예시적 통기 구조체(28c)는 보스(16c)의 통기 구조체 수용 캐비티(27a) 내에 끼워진다. 제3 예시적 통기 구조체(28c)는 복수의 원통형 바디 중 하나이며, 그 각각은 적어도 2개의 대향 단부와 하나의 원통면을 갖고 있다. 4개의 통기 구조체(28b)가 도시되어 있지만, 보다 많거나 적은 수의 원통형 바디가 이용될 수 있는 것으로 고려된다. 대향 단부들 중에서의 압력 용기의 내부 환경에 면하는 한쪽 단부는 내면(30c)을 포함한다. 원통면은 라이너 대향 표면(29c)을 포함한 부분을 포함한다. 캐비티(27c)는 표면(56c)을 포함할 수 있다. 표면(56c)은 제3 예시적 통기 구조체(28c)의 표면(58c)에, 예를 들면 내고온성 접착제 또는 표면(56c)에 대한 표면(58c)의 용접에 의해 접착될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 포켓(50) 내의 가스는 통기 경로(54)를 따라 흘러 내부 환경(17) 내로 배기된다. 경로(54)는 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)에서의 포켓(50)에서 시작하여 라이너(20)와 보스(16c) 사이의 계면(62)까지 이어진다. 그러면, 가스는 통기 구조체(28c)와 라이너(20) 사이의 계면(29c)으로 이동할 수 있다. 가스는 라이너 대향 표면(29c)을 통해 통기 구조체(28c)의 채널 내로 들어가, 그 채널을 통해 압력 용기(10c)의 내부 환경(17)으로 이동한다.
도 10은 제4 예시적 통기 구조체(28d)를 갖는 본 개시의 제4 예시적 보스(16d)를 포함하고 또한 라이너(20d) 및 쉘(18)을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 반경방향 단면도이다. 제4 예시적 보스(16d)는, 제4 예시적 통기 구조체(28d)가 통기 구조체(28)의 형상과 상이하고 그 통기 구조체(28d)는 홈(32)의 외면(43)을 비롯하여 보스(16d)의 홈(32)에 둘러진다는 점을 제외하면, 제1 예시적 보스(16a)와 유사하다. 제4 예시적 통기 구조체(28d)는 보스(16d)의 통기 구조체 수용 캐비티(27d) 내에 끼워진다.
하나의 실시예에서, 제4 예시적 통기 구조체(28d)는 환형 구조이다. 하지만, 여기에 나타낸 개념은 다중 통기 구조체(28b) 및 그 변형예에 적용될 수 있는 것으로 고려된다. 따라서, 도 6a 내지 도 7을 참조하면, 통기 구조체(28b)의 변형예가 홈(32)의 외면(32)을 비롯하여 보스(13b)의 홈(32)에 둘러질 수 있는 것으로 고려된다.
도 10에 도시한 바와 같이, 라이너(20d)와 보스(16d)의 플랜지(24) 사이의 포켓(50) 내의 가스는, 라이너(20d)와 보스(16) 사이의 계면(62)의 포켓(50)에서 시작하는 통기 경로(54)를 따라 흘러 내부 환경(17)으로 배기된다. 그러면, 가스는 통기 구조체(28d)와 라이너(20d) 사이의 계면(29d)으로 이동할 수 있다. 가스는 라이너 대향 표면(29d)을 통해 통기 구조체(28d)의 채널 내로 들어가, 그 채널을 통해 압력 용기(10d)의 내부 환경(17)으로 이동한다.
압력 용기(10d)의 도시한 실시예에서, 라이너(20d)는 또한 보스(16d)의 플랜지(24)의 외면과도 맞대지도록 형성되어, 그 플랜지(24)의 외면 상에 부분(35)을 갖는다. 라이너(20)와 쉘(18) 사이의 계면(60)에 갇힌 가스를 위한 다른 통기 경로가 라이너 부분(35)을 일주하여 라이너(20)와 보스(16c) 사이의 계면(62)까지 이어진다. 그러면, 가스는 통기 구조체(28d)의 채널을 통과해 압력 용기(10c)의 내부 환경(17)으로 이동한다.
도 11은 제5 예시적 통기 구조체(28e)를 갖는 본 개시의 제5 예시적 보스(16e), 라이너(20e) 및 쉘(18)을 포함하는 압력 용기의 상부 절반부의 부분 반경방향 단면도이다. 제5 예시적 보스(16e)는, 제5 예시적 통기 구조체(28e)가 보스(16c)의 통기 구조체 수용 캐비티(27c)의 위치와 비교해 보스(16e)의 상이하게 배치된 실질적으로 원통형의 통기 구조체 수용 캐비티(27e)에 배치된다는 점을 제외하면, 제3 예시적 보스(16c)와 유사하다. 도시한 실시예에서, 보스(16e)의 통기 구조체 수용 캐비티(27e)는 홈(32)의 외면(43)을 차단하도록 위치한다. 압력 용기(10e)를 형성하는 예시적 방법에서, 라이너(20e)는 통기 구조체 수용 캐비티(27e)를 생성하기 전에 플랜지(24) 둘레에 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서의 캐비티(27e)는 보스(16e)에뿐만 아니라, 라이너(20)의 일부분에도 마련되다. 따라서, 통기 구조체(28e)의 내면(30e)은 플랜지(16e)의 내면(40e)과 동일면으로 되고 내부 환경(17)과 유체 연통하게 구성된다.
도 11에 도시한 바와 같이, 라이너(20e)와 보스(16e)의 플랜지(24) 사이의 포켓(50) 내의 가스는, 라이너(20e)와 보스(16) 사이의 계면(62)의 포켓(50)에서 시작하는 통기 경로(54)를 따라 흘러 내부 환경(17)으로 배기된다. 그러면, 가스는 통기 구조체(28e)와 라이너(20e) 사이의 계면(29e)으로 이동할 수 있다. 가스는 라이너 대향 표면(29e)을 통해 통기 구조체(28e)의 채널 내로 들어가, 그 채널을 통해 압력 용기(10e)의 내부 환경(17)으로 이동한다.
압력 용기(10e)의 도시한 실시예에서, 라이너(20e)는 또한 보스(16e)의 플랜지(24)의 외면과도 맞대지도록 형성되어, 그 플랜지(24)의 외면 상에 부분(35)을 갖는다. 라이너(20e)와 쉘(18) 사이의 계면(60)에 갇힌 가스를 위한 다른 통기 경로가 라이너 부분(35)을 일주하여 라이너(20)와 보스(16e) 사이의 계면(62)까지 이어진다. 그러면, 가스는 통기 구조체(28e)의 채널을 통과해 압력 용기(10e)의 내부 환경(17)으로 이동한다.
제5 예시적 통기 구조체(28e)는 복수의 원통형 바디 중 하나이며, 그 각각은 적어도 2개의 대향 단부와 하나의 원통면을 갖고 있다. 4개의 통기 구조체(28e)가 고려되고 있지만(도 8b에 도시한 통기 구조체(28c)의 배치와 유사하지만, 축선(36)으로부터 반경방향 외측으로 더 멀리 위치함), 보다 많거나 적은 수의 원통형 바디가 이용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 대향 단부들 중에서의 압력 용기의 내부 환경(17)에 면하는 한쪽 단부는 내면(30e)을 포함한다. 하나의 원통면은 라이너 대향 표면(29c)을 포함한 부분을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 본 개시의 예시적 통기 구조체의 복수의 바디가 웨지형, 원통형 또는 기타 다른 형상이든 본 개시의 예시적 보스의 대응 캐비티 내에 삽입될 수 있다. 4개의 통기 구조체(28b, 28c, 28d, 28e)가 해당 보스(16b, 16c, 16d, 16e) 각각에 도시되어 있지만, 보다 많거나 적은 수가 이용될 수 있는 것으로 고려된다. 게다가, 캐비티(27)는 보스(16)의 내면(31)에 도시한 것과는 다르게 위치할 수도 있다. 또한, 캐비티(27)는 보스(26)의 포트(26) 주위의 둘레에 균일하게 이격되거나 그렇지 않을 수도 있다.
도 12는 압력 용기(10)를 제조하는 예시적인 방법(100)을 도시한다. 압력 용기(10)의 제조시에, 보스(16)의 제조는 용기 라이너(20)와 쉘(18)의 제조와는 별개로 완성될 수 있다. 예를 들면, 통기 구조체(28)(들)를 갖는 보스는 압력 용기를 제조하는 다른 단계들 전에 미리 제조될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 통기 구조체(28a, 28b, 28c, 28d, 28e)를 갖는 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)를 구비한 압력 용기(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)의 제조는 통기 구조체(28)를 갖지 않는 종래의 보스(16)를 구비한 압력 용기(10)의 제조와 유사할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 예시적 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)는 압력 용기를 제조하기 위한 공지의 예측 가능한 프로세스와 양립 가능하도록 사전 제조될 수 있다.
예시적 방법(100)은, 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)의 내측(예를 들면, 내면(31)의 일부를 포함)에 캐비티(예를 들면, 통기 구조체 수용 캐비티(27a, 27b, 27c, 27d, 또는 27e)를 형성하는 단계(102)를 포함한다. 예를 들면, 캐비티는 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)의 내면(31)에서 에지(46)와 포트(26) 사이의 위치에 기계 가공 등에 의해 형성될 수 있다. 캐비티는 대응하는 형상의 통기 구조체를 수용하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 환형 캐비티(27a)는 제1 예시적 통기 구조체(28a) 등의 환형 구조를 수용하도록 형성될 수 있다. 게다가, 또는 대안으로, 캐비티는 제2 예시적 통기 구조체(28b) 등의 웨지형 또는 예시적인 통기 구조체(28c, 28e) 등의 원통형 구조를 수용하도록 형성될 수도 있다. 또한, 캐비티는, (도 6a, 도 6b, 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이) 캐비티들의 세트가 둘레방향으로 서로 바람직하게는 균일하게 이격되도록 보스의 내부 단부를 따라 복제될 수 있다.
대안적으로, 보스의 플랜지의 내측의 일부분이 열, 압력 및/또는 화학물질 등에 의해 처리되어, 통기 성질을 띠도록 될 수 있다. 이는 별개의 통기 구조체를 수용하는 캐비티를 형성하는 대신에 보스의 내측(31)의 위치에서 이루어질 수 있다.
통기 구조체(28)를 위한 특정 예시적 형상이 도시한 실시예에 도시되어 있지만, 수많은 다른 형태가 적절할 수도 있는 것으로 고려된다. 특히 적합한 구성은 라이너(20)와 보스(16) 사이의 계면(62)에서부터 압력 용기(10)의 내부 환경(17)에 이르는 경로를 제공한다. 압력 용기(10)의 외부 환경(19)보다는 내부 환경(17)으로 통기시키는 것의 이점은, 그러한 내부 통기가 누설 검출기로부터 잠재적으로 잘못된 경고를 발생시키지 않는다는 점이다. 예시적인 실시예에서, 예시적 통기 구조체(28)는 보스(16)의 구조적 일체성을 유지하면서 효율적인 통기 경로(54)를 제공하도록 구성된다. 통기 구조체(28)의 재료는 보스(16)의 주 재료보다 덜 치밀하며 그 보다 다공질이고 또한 그 만큼 강하지 않기 때문에, 통기 구조체(28)는 몇몇 실시예에서 포트(26)로부터 및/또는 다른 통기 구조체(28)로부터 이격 배치된다. 이러한 배치는 보스(16)의 보다 강한 재료가 통기 구조체(28)를 둘러싸게 할 수 있다. 통기 구조체(28)의 개수, 형상 및 위치는 도시한 것과는 다른 수도 있는 것으로 고려된다. 게다가, 복수의 별개의 통기 구조체(28)를 갖는 실시예에서, 도시한 실시예는 특정 보스(16)의 통기 구조체(28) 각각이 해당 보스(16)의 다른 통기 구조체(28)와 동일한 것을 제시하고 있다. 하지만, 필요하다면 상이한 구성의 통기 구조체(28)들이 단일 보스(16)에 이용될 수 있는 것으로 고려된다.
도 10을 참조하면, 방법(100)은, 가스가 소결된 구조체를 통과하는 것은 허용하지만 라이너 재료가 소결된 구조체로 들어가는 것은 제한하는 기공도 및/또는 밀도를 갖도록 통기 구조체(28)를 소결하는 단계를 포함한다. 그러한 소결은 통기 구조체가 보스의 해당 캐비티 내에 매립되기 전에 또는 그 후에 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 본 명세서에서 설명한 통기 구조체(28) 중 하나를 소결하는 것은, 분말 형태의 금속 또는 기타 재료를 다이, 몰드 또는 캐비티 내에 압착하고, 그리고 그 재료를 액화점까지 용융시키지 않고 열 및/또는 압력에 의해 그 재료의 고체 덩어리를 형성하는 프로세스를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 통기 구조체(28)는 예를 들며 해당 캐비티(27)를 보완하는 형상으로 된 몰드 내에서 형성될 수 있다.다른 실시예에서, 캐비티(27)가 다이로서 기능하여, 그 내에 소결을 위해 재료 분말을 배치하여 보스(16) 자체에 인시튜(in situ)로 통기 구조체(28)를 형성할 수도 있다. 소결은 금속, 세라믹, 플라스틱 및 기타 재료를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 재료들의 원자는 입자 경계를 가로질러 확산하여, 입자들을 함께 융합시켜, 고체이지만 다공질의 피스를 생성한다. 소결은, 흡열성 가스 등의 보호 가스를 이용하여 대기압하에서 이루어질 수 있다. 금속의 소결은 원하는 범위의 재료 특성을 생성하도록 후속 재작업(reworking)을 포함할 수 있다. 밀도, 합금 또는 열처리에서의 변화는 통기 구조체(28)의 물리적 특성을 변경할 수 있다. 높은 내고온성을 요구하는 용례에 청동 및 스테인리스강이 특히 적합하다.
금속 분말 등의 분말을 사용하는 것의 이점은, 시작 재료에서의 순도 및 균일성의 수준을 제어할 수 있다는 이점을 포함한다(이는 제조 프로세스에서의 단계들을 감소시킬 수 있다). 또한, 시작 재료의 입자 사이즈를 제어할 수 있다는 이점도 포함한다. 이들 이점은 통기 부분의 제조가 그 부분의 기공도 및 통기 구조체(28)의 최종 형상을 제어할 수 있게 한다. 분말, 특히 소결용 금속 분말의 이용은 고압과 넓은 범위의 온도에 견딜 수 있는 고강도 재료의 제조를 가능하게 한다.
도 10을 다시 참조하면, 방법(100)은 통기 구조체를 인시튜로 형성하지 않는 방법에서 소결된 통기 구조체(28)를 보스의 해당 캐비티(27) 내에 삽입하는 단계(106)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 삽입은 통기 부분(28)을 형성하고 캐비티(28)를 형성한 후에 이루어진다. 또한, 통기 구조체(28)는 보스의 사전 제조된 캐비티(27)에 들어맞도록 기계 가공될 수 있고, 그 반대로도 가능하다. 다시 말해, 캐비티(27)는 마찬가지로 사전 제조된 통기 구조체(28)를 수용하도록 기계 가공될 수 있다.
그 방법(100)은 또한 통기 구조체(28)의 적어도 일부와 접촉하도록 압력 용기의 라이너(20)를 제공하는 단계를 포함한다. 예시적인 방법에서, 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)는 맨드릴 상에 장착된다. 그러한 맨드릴에는 통상 라이너(20)가 제조될 형상을 갖는 형틀(form)이 마련된다. 용융된 라이너 재료가 그 형틀에 도포되어 그 위에서 성형될 수 있다. 라이너 재료를 배치한 후, 그 라이너 재료는 몇몇 실시예에서 냉각 등에 의해 경화된다. 라이너(20)는 쉘(18)과 함께 압력 용기(10a, 10b, 10c)에 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)를 고정시킨다. 라이너(20)를 형성하기 전에 소결된 통기 부분(28)을 제공함으로써, 용기(10a, 10b, 10c)의 제조 중에 라이너(20), 쉘(18) 및/또는 보스(16a, 16b, 16c, 16d, 16e) 사이에 갇힌 가스가 통기 구조체(28)를 통해 압력 용기의 내부 환경(17) 내로 빠져나갈 수 있다.
본 발명의 주제를 다수의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항에 있어 변형이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 게다가, 하나의 실시예에 대해 개시한 임의의 특징은 다른 실시예에 적용 가능하고 포함될 수 있고 그 반대로도 가능하다.

Claims (20)

  1. 내부 환경을 갖는 압력 용기로서, 외부 환경은 상기 압력 용기의 외부로 획정되며, 상기 압력 용기는:
    쉘;
    상기 쉘 내에 배치되고 상기 내부 환경을 획정하는 라이너; 및
    상기 쉘과 상기 라이너 간의 제1 계면에 위치하는 보스
    를 포함하며,
    상기 보스는,
    상기 라이너와 상기 보스 간의 제2 계면에의 캐비티로서, 상기 캐비티는 상기 내부 환경과 연통하는 상기 보스의 내면에 위치하고, 상기 캐비티는 상기 외부 환경과 연통하는 상기 보스의 외면으로는 연장하지 않는 것인, 캐비티; 및
    상기 캐비티 내에 위치한 통기 구조체(venting structure)로서, 상기 제1 계면에서부터 상기 통기 구조체를 통해 상기 압력 용기의 내부 환경 내로 가스 통기 경로가 획정되는 것인, 통기 구조체
    를 포함하는 것인 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통기 구조체는 소결 금속을 포함하는 것인 압력 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통기 구조체는 가스가 통기 구조체를 통과하는 것은 허용하지만 상기 라이너의 재료가 통기 구조체로 들어가는 것은 방지하는 기공도를 갖는 것인 압력 용기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통기 구조체는 환형 형상을 갖는 것인 압력 용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 통기 구조체의 환형 형상에 대응하는 상보적 환형 형상을 갖는 것인 압력 용기.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통기 구조체는 통기 구조체들의 세트 중 하나인 것인 압력 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캐비티는 캐비티들의 세트 중 하나이며, 상기 캐비티들의 세트의 각 캐비티는 상기 통기 구조체들의 세트 중 하나의 통기 구조체의 형상에 대응하도록 구성되는 것인 압력 용기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캐비티들의 세트의 캐비티들은 서로 등간격으로 둘레방향으로 이격되는 것인 압력 용기.
  9. 압력 용기용 보스로서:
    상기 압력 용기의 외부 환경과 상기 압력 용기의 내부 환경 간의 유체 연통을 허용하도록 구성된 포트;
    상기 포트로부터 반경방향 외측으로 연장하며, 외측과 내측을 포함하는 플랜지;
    상기 플랜지의 내측에 위치하는 캐비티로서, 상기 외부 환경과 연통하는 상기 보스의 외면으로 연장하지 않는 것인 캐비티; 및
    상기 캐비티 내에 위치한 가스 통기 구조체
    를 포함하는 보스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가스 통기 구조체는 소결 금속을 포함하는 것인 보스.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가스 통기 구조체는 가스가 가스 통기 구조체를 통과하는 것은 허용하지만 용융 폴리머 재료가 가스 통기 구조체로 들어가는 것은 방지하는 기공도를 갖는 것인 보스.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 통기 구조체는 환형 형상을 갖는 것인 보스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 가스 통기 구조체의 환형 형상에 대응하는 상보적 환형 형상을 갖는 것인 보스.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 통기 구조체는 가스 통기 구조체들의 세트 중 하나인 것인 보스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 캐비티는 캐비티들의 세트 중 하나이며, 상기 캐비티들의 세트의 각 캐비티는 상기 가스 통기 구조체들의 세트 중 하나의 가스 통기 구조체의 형상에 대응하도록 구성되는 것인 보스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 캐비티들의 세트의 캐비티들은 서로 등간격으로 둘레방향으로 이격되는 것인 보스.
  17. 압력 용기에 이용되는 보스를 제조하는 방법으로서:
    금속 부품을 소결하되, 가스가 그 소결된 금속 부품을 통과하는 것은 허용하지만, 용융 폴리머 재료가 그 소결된 금속 부품 내로 들어가는 것은 제한하는 기공도를 갖도록 금속 부품을 소결하는 단계; 및
    상기 소결된 금속 부품을 보스의 해당 캐비티 내에 삽입하는 단계
    를 포함하고,
    상기 캐비티는 상기 보스의 내측에 위치하고,
    상기 캐비티는 상기 보스의 외측과 연통하는 상기 보스의 외면으로 연장하지 않는 것인, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 해당 캐비티를 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 보스는, 보스의 상기 외측과 보스의 상기 내측을 연결하는 포트를 포함하며, 상기 기계 가공은 상기 보스의 내측의 표면을 기계 가공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 보스는 상기 포트로부터 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지를 포함하며, 상기 플랜지는 외측과 내측을 포함하며, 상기 기계 가공은 플랜지의 내측의 표면을 기계 가공하는 것을 포함하는 것인 방법.
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